Прочная как сталь: ученые ищут способ производить искусственную паутину
Паутина сочетает высокую прочность, эластичность и малый вес. По прочности на растяжение некоторые ее виды сопоставимы с высокопрочной сталью. Ученые ищут способы наладить производство искусственных волокон, которые могли бы пригодиться при изготовлении одежды и медицинских материалов.
Чем необычен паучий шелк
Паутина — это не просто тонкая нить для ловли насекомых. Пауки производят несколько типов шелка, каждый из которых выполняет свою задачу. Из одних нитей они плетут ловчие сети, другие используют для защиты яиц, удержания добычи или в качестве страховочного троса.
Предел прочности на растяжение у некоторых видов паучьего шелка достигает 1,5 ГПа. Иными словами, нить с поперечным сечением в 1 мм² выдерживает растягивающую нагрузку примерно в 150 кг до разрыва. По этому показателю материал сопоставим с высокопрочной сталью, но при этом он значительно легче, эластичнее и биоразлагаем.
Такое сочетание свойств привлекает производителей одежды и медицинских материалов. Но получать шелк в нужных объемах непосредственно от пауков сложно. В отличие от шелкопрядов, их нельзя разводить большими группами: пауки склонны поедать друг друга.
Почему сложно повторить работу паука
Главная проблема заключается не столько в производстве белка, из которого состоит шелк, сколько в превращении этого вещества в прочную нить.
«Исследователи получили немало белковой смеси, похожей на ту, что производит паук, но, в отличие от самих пауков, они пока не научились превращать этот белок в твердые нити в масштабах, которые были бы значимы для общества», — рассказала Сара Стеллваген, доцент кафедры биологических наук Университета Северной Каролины в Шарлотте.
В организме паука процесс проходит в специализированных шелковых железах. Белок находится там в жидком состоянии, а затем проходит по узкому протоку. По мере движения меняются химические условия, и молекулы собираются в плотную структуру из так называемых бета-слоев. Они придают нити прочность. Через паутинные бородавки шелк выходит наружу уже в твердом виде.
Воспроизвести эту последовательность в лаборатории и наладить выпуск длинных нитей в промышленных объемах пока не удается.
От лабораторного белка к текстилю
Некоторого прогресса добились специалисты Шведского университета сельскохозяйственных наук (SLU). Они показали, что паучий белок можно производить эффективнее и в больших количествах, снижая потенциальные затраты на изготовление материала.
Анна Рисинг и Бенджамин Шмук, работающие над этой технологией, получили от фонда H&M Foundation грант в размере 200 000 евро. Теперь исследователи планируют совершенствовать процесс производства и изготовить достаточно материала для испытаний нитей и тканей. Отдельное направление работы — возможное применение искусственного шелка в медицине.
«Эта награда и поддержка дают нам возможность перейти к следующему этапу: провести больше экспериментов, улучшить производственный процесс и изготовить достаточно материала для испытаний пряжи и текстиля», — отметила Анна Рисинг, профессор кафедры биологических наук о животных.
Ранее ученые из Королевского колледжа Лондона и Университета штата Сан-Диего в Калифорнии изучили молекулярные взаимодействия, которые делают паучий шелк прочнее стали и устойчивее к разрыву, чем кевлар.
Если исследователям удастся воспроизвести не только белок, но и сам процесс формирования волокна, искусственная паутина сможет найти применение в легких тканях, медицинских изделиях и других материалах, где одновременно нужны прочность и гибкость. Пока же главная задача — превратить лабораторные разработки в технологию массового производства.
